JPH039202A - 測長方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ業上の利用分野） 本発明は、レーザ光を利用して物体の変位及び位置をＰ
Ｉ！密に測定する半導体レーザ測長装置に関するもので
、半導体露光装置のステージ制御等に好適なものである
。

〔従来の技術〕

従来、半導体露光装置のステージ制御用測長器には、ス
テージ上に取り付けたミラーの移動に伴なう、光周波数
のドツプラーシフトを利用して移動距離を測定する、い
わゆる２波長レーザ干渉測長器が公知である。これを第
１の従来例と呼ぶ。

第８図にこの従来例の測定原理を説明する為の構成図を
示す。

同図に於いて、１は光源であるところの二周波ゼーマン
レーザ発振器、２はビームスプリッタ、３は偏光ビーム
スプリッタとコーナーキューブより成る干渉計ユニット
、４はλ／４板、５は平板反射ミラー　６ａ、６ｂは偏
光板、７ａ、７ｂはフォトディテクタ、８ａ、８ｂは正
弦波信号をパルス列に変換するパルスコンバータ、９は
パルスの加減算を行なうアップダウンカウンタ、１０は
ステージである。

上記構成に於て、二周波ゼーマンレーザ発振器１より射
出した２つの光ＰおよびＱは、それぞれ周波数ｆ、、ｆ
２の電磁波で互いに直交する直線偏光である。光Ｐ、Ｑ
はビームスプリッタ２で２分され、一方の折り曲げられ
た方は偏光板６ａの作用で干渉し、フォトディテクタ７
ａでｆ、−ｆ２のビート信号として検出される。これを
参照信号とする。

他方は直進して干渉計ユニット３に入射し、偏光ビーム
スプリッタの作用により、光Ｐと光Ｑに分割されて、光
Ｑは干渉計ユニット３の内部だけを通過して射出し、光
Ｐはステージ１０上に載置した平板反射ミラー５で２回
反射して射出し、光Ｐ、Ｑは偏光板６ｂの作用で干渉し
フォトディテクタ７ｂでやはりｆＩ−ｆｚのビート信号
として検出される。フォトディテクタ７ａ、７ｂで検出
されたビート信号は、それぞれパルスコンバータＢａ、
Ｂｂにおいてパルス列に変換され、アップダウンカウン
タ９においてそのパルス数の差がカウントされる。

この状態に於てステージ１０が光軸方向に速度Ｖで移動
すると、ステージ１０上のミラー５で反射されている光
Ｐは１回の反射当り ｖ Δ　ｆ　＝　　　　　　・　ｆ　１　　　　　　　・・
・・・・・・・　　（１）Ｃ：光速 のドツプラーシフトを受ける。同図の構成では２回反射
しているので２Δｆのドツプラーシフトを受けた光がフ
ォトディテクタ７ｂに入射することになり、フォトディ
テクタ７ｂで検出される信号はｆＩ　　　ｆ２±２Δｆ
と変化する。この間に、フォトディテクタ７ａで検出さ
れる信号はｆＩ　　ｆ’ｚで変化しないから、結局アッ
プダウンカウンタ９の出力として±２Δｆが得られ、こ
れに光Ｐの波長を掛は合わせるとステージ１０の穆動量
が測定されたことになる。

一方特開昭６２−１３５７０３及び特開昭６２−２０４
１０３に開示されているように、多波長の光源を用いて
アブソリュートな位置及び変位を測定する方法が考えら
れている。こわを第２の従来例と呼ぶ。この方法では、
１つの波長λ１によって得られる干渉縞の位相φ、は、
干渉計の光路差を１として λ＝（２πＮ＋φＩ）λ、／２π　・・・・・・　（２
）Ｎ：自然数 の関係があることから、いくつかの波長λ２λ３・・・
で位相差φ２．φ３・・・を測定して未知の自然数Ｎの
とり得る範囲を限定してゆき、最終的にＮを一意に決定
することでアブソリュートな位置１を求めている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記第１の従来例では、基準パルスと測
定との差を積分して移動距離を測定するため、−瞬でも
レーザ光を遮ると計測不能となるという欠点があった。

また、リセットをかけた地点からの変位量しか測れない
ため、例えばステージの制御には別途原点センサを設け
る必要があり、ステージシステムが複雑になるという欠
点があった。さらに、基本的に測定光の波長の１／２又
は１／４（光学系による）ステージが移動する毎にパル
スが発生するので、より高分解能の測定をするためには
電気的にパルスを分割する手段に頼っていたが、パルス
の分割精度から考えてλ／２５６〜λ１５１２（λ：測
定光の波長）程度が限界である。

一方、第２の従来例では、アブソリュートな測定が行な
え、第１の従来例の欠点は補なわれるものの、未知の自
然数Ｎを決定する為に、多波長の光源を必要とする。

例えば、分解能ｉｎｎで測定する場合、λ１＝６８０ｎ
ｍとすれば、単波長では測定レンジが３４０ｎｍしかと
れない。そこで、精度が前記測定レンジ内に入るように
第２の波長λ２＝６８１ｎｍを用いて第１の等価波長λ
、、　＝４８．３μｍを作り、新たな測定レンジを２５
．２μｍとする。さらに、精度がこの測定レンジ内に入
るように第３の波長λ３＝　６８０．０１ｎ　ｍを用い
て等価波長λ。９□＝　４６．２ｍ　ｍを作り新たな測
定レンジを２３．１ｍｍとする。

このように、例えば２波長の光のみで測定しようとすれ
ば、測定レンジはわずか数十μｍしかとれず、測定レン
ジを拡げる為には次々と新たな波長を必要とし、したが
って多波長の光源を必要とするため、装置が複雑でコス
トが高くなるという欠点があった。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
半導体レーザ測長装置において、簡便な構成により、広
いレンジにおいて高い精度でアブソリュート測定および
インクリメンタルな測定が行なえるようにすることにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明の半導体レーザ測長装置
は、互いに異なる波長帯域で発振する第１および第２の
半導体レーザと、第１の半導体レーザの発振周波数を変
調する周波数変調手段と、第１および第２の半導体レー
ザが出力する第１および第２のレーザ光をそれぞれ第３
と第４および第５と第６のレーザ光に分割する光分割手
段と、第３および第５のレーザ光を被測定物に入射させ
て反射させ、そして第３レーザ光の反射光と第４レーザ
光との位相差、および第５レーザ光の反射光と第６レー
ザ光との位相差を検出する位相差検出手段と、その検出
結果に基づき、分割されたレーザ光間の光路差を求める
手段とを備える。

通常、発振周波数変調手段の動作は、第１のレーザ光を
変調するか一定の周波数に保つかを選択する選択手段に
よりオン・オフされる。

第１および第２の半導体レーザの−うち少なくとも一方
は発振波長を一定に保持する発振波長安定化手段を備え
る。

また、位相差検出手段は、例えば、第３および第５のレ
ーザ光の周波数をシフトさせる第１のＡＯ変調器、なら
びに第４および第６のレーザ光の周波数をシフトさせる
第２のＡＯ変調器を備え、これらを用いたヘテロダイン
検出によって位相差を検出する。

また、発振周波数変調手段は周波数変調幅が可変である
のが好ましい。

インクリメンタルな測定をも行なう場合は、例えば、第
３レーザ光および第４レーザ光の反射光の干渉、または
第５レーザ光および第６レーザ光の反射光の干渉による
ビート信号と、第１および第２のＡＯ変調器の駆動発振
周波数の差とに基づき、分割されたレーザ光間の光路差
をインクリメンタルに求める手段を備え、アブソリュー
トな光路差を測定した後に、このインクリメンタルな測
定に切り換える構成とする。

さらに、位相差検出手段は、通常、第３レーザ光および
第４レーザ光の反射光と、第５レーザ光および第６レー
ザ光の反射光とを分離する波長選択ミラーを備える。

一方、半導体レーザを１つのみ用いる態様もあり、その
場合は、半導体レーザと、半導体レーザへの注入電流を
発振波長が連続的に変化する範囲で変調する周波数変調
手段と、半導体レーザへの注入電流を発振波長が不連続
に変化する範囲で変調する周波数変化手段と、半導体レ
ーザへの注入電流を発振波長が一定に保たれるように制
御する一定化手段と、周波数変調手段、周波数変化手段
および一定化手段を切り換えて選択する手段と、半導体
レーザが出力するレーザ光を２つに分割する光分割手段
と、その一方のレーザ光を被測定物に入射させ反射させ
てから他方のレーザ光との位相差を検出する位相差検出
手段と、その検出結果に基づき、分割されたレーザ光間
の光路差を求める手段とを備える。

例えば、光分割手段は、レーザ光をＰ偏光とＳ偏光とに
分割するものであり、位相差検出手段はＰ偏光およびＳ
偏光に対し互いにわずかに異なる周波数シフトを施すＡ
Ｏ変調器を備え、この周波数シフトの差を参照信号とし
、一方が被測定物からの反射光であるＰ偏光およびＳ変
光の干渉によるビート信号を測定信号として、参照信号
と測定信号との位相差を検出する。

また、参照信号と測定信号をそれぞれパルス信号に変換
し、そのパルス数の差をカウントする手段を備え、選択
手段により一定化手段を選択している場合は、これによ
りインクリメンタルな光路差測定が行なわれる。

［作用コ この構成において、第１および第２レーザ光はそれぞれ
第３と第４のレーザ光および第５と第６のレーザ光に分
割され、そして第３と第５のレーザ光を被測定物で反射
させてから第３と第４レーザ光および第５と第６レーザ
光それぞ・れについて位相差が検出されるが、第ル−ザ
光が発振器などの周波数変調手段によって発振周波数が
変調される場合、検出される位相差の変動幅は第３と第
４レーザ光間の光路差と一定の関係があり、検出された
位相差に基づきこの関係を利用して第３と第４レーザ光
間の光路差が求められる。

一方、第ル−ザ光が周波数変調手段によって発振周波数
の変調を受けずに周波数が一定の場合は、第３と第４お
よび第５と第６レーザ光それぞれの位相差は互いに等し
いそれぞれの光路差と一定の関係を有し、したがって、
それぞれの位相差からこの関係を利用してより精度の高
いアブソリュートな光路差が得られる。

インクリメンタルな変位は、このようにしてアブソリュ
ートな光路差を求めた後、発振周波数を定として第３と
第４または第５と第６レーザ光間の位相差をカウントし
、その値と光路差との間に存在する一定の関係から光路
差が高精度に求められる。

本発明の他の態様においては、レーザは１つのみでよく
、その代わりに、周波数変化手段を備えており、これに
より、周波数変調手段によって周波数変調した場合と同
様の原理で光路差が求められる。ただしこの場合、周波
数変化幅が大きく、そのふんより高い精度で測定される
。

＃４半勃４ このように、本発明においては、異なる波長の光を発振
する２つのコヒーレントな光源を用いた２波長干渉測定
と２つの光源のうち一方の発振周波数を変調して絶対測
距を行なう方法を組合わせることにより、光学系を変更
することなく２つの波長のみで長い距離のアブソリュー
トな測定を可能としている。また、本発明の他の態様に
おいては、周波数変調手段、周波数変化手段、および−
走化手段を任意に切り換えて測定することにより、１つ
の半導体レーザ光源でアブソリュートな位置の測定が行
なわれる。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の第１の実施例を示し、同図に於て、
ｌｌａは波長λ１　（周波数ｆｌ）のコヒーレント光を
発振する半導体レーザ、１１ｂは淳長λ２　（周波数ｆ
２）のコヒーレント光を発振する半導体レーザ、２はビ
ームスプリッタ、１０１は光アブソーバ−３１はビーム
スプリッタ、１０２は４５°ミラー　１０３はλ／２板
、１０４ａは周波数Ｆ１で駆動されるＡＯ変調器、１０
４ｂは周波数Ｆ２で駆動されるＡＯ変調器、１０５は偏
光ビームスプリッタ、１０６はλ／４板、１０７はコー
ナーキューブ、１０８はλ／４板、５はステージ上に取
り付けられた平板ミラー　１０はステージ、１０９は波
長λ、近傍の光を反射し、波長λ２近傍の光を透過させ
る波長選択ミラー　６１ａ、６１ｂは偏光板、７１ａ。

７１ｂはフォトディテクタ、１５１ａ、１５１ｂはそれ
ぞれ半導体レーザＩｌａ、ｆｉｂに流入する電流を一定
に保つ電流制御回路、１５２ａ。

１５２ｂはそれぞれ半導体レーザｌｌａ、ｌｌｂに電力
を供給する電源、１５３はＤＣ電流にＡＣ電流を混合す
るミキサー回路、１５４は半導体レーザｌｌａをＡＣ変
調するための発振器（周波数ｆＩＩｌ）、１５５は半導
体レーザｌｌａ、ｊｉｂの温度を一定に保つ温調装置、
１５６は半導体レーザｌｌａを周波数変調するかしない
かを選択するスイッチ、１８１ａ、１８１ｂはそれぞれ
ＡＯ変調器１０４ａ、１０４ｂを駆動するための発振器
、１８２は２つの周波数を混合してその差周波数を出力
するミキサー　１８３ａ、１８３ｂはそれぞれフォトデ
ィテクタ７１ａ、７１ｂの出力信号とミキサー１８２の
参照信号とを比較して位相差を電圧に変換する位相−電
圧変換器、１８４は２つの電圧の差を計算する差動アン
プである。

上記構成において、半導体レーザＩｌａおよび１１ｂよ
り射出した光は共に等しい方位の直線偏光状態でビーム
スプリッタ２に入射し、直交する２方向に分離されて射
出する。このうち光アブソーバ１０１に向かった光は吸
収され熱エネルギーとなる。一方、同図右方へ向かった
光はビームスプリッタ３１に入射し、さらに右方に向か
う光と同図下方へ向かう光とに分離される。右方に向か
う光はＡＯ変調器１０４ａによって周波数シフトを受け
、周波数ｆｌ　＋Ｆ、及びｆ２＋Ｆ、の光となって偏光
ビームスプリッタ１０５に入射し、λ／４板１０６、コ
ーナーキューブ１．０？、そして再びλ／４板１０６を
通って偏光ビームスプリッタ１０５に戻るが、この時、
偏光角が９０°回転しているのでその後、紙面下方へ射
出する。

方、ビームスプリッタ３１より下方へ向かった光は４５
°ミラー１０２で折り曲げられ、ＡＯ変調器１０４ｂに
よって周波数シフトを受けて周波数ｆｌ　＋Ｆ２および
ｆ２＋ｔ”２の光となる。そして、λ／２板１０３で偏
光角を９０°回転させられ、その状態で偏光ビームスプ
リッタ１０５に入射し、λ／４板１０８を通過し、平板
ミラー５で反射され、再びλ／４板１０８を通って偏光
角を９０’回転させられてから偏光ビームスプリッタ１
０５に戻り、反射されて紙面下方へ射出する。

偏光ビームスプリッタ１０５から射出した周波数ｆｌ　
＋Ｆ１　、　ｆｘ　＋Ｆ１　、　ｆｌ　＋Ｆ２ｆ２＋Ｆ
２の４つの光は、波長選択ミラー１０９の作用により、
周波数ｆ、＋Ｆ、とｆ１＋Ｆ２の光は反射されてから偏
光板６１ａの作用で干渉し、フォトディテクタ７１ａで
そのビート信号Ｆｌ−Ｆ２が検出され、周波数ｆｔ　＋
Ｆ、とｆ２＋Ｆ２の光は透過して偏光板ｓｔｂの作用で
干渉し、フォトディテクタ７１ｂでそのビート信号Ｆｌ
−Ｆ２が検出される。

フォトディテクタ７１ａ、７１ｂで検出されたビート信
号Ｆ、−Ｆ２は、ＡＯ変調器の駆動発振器１８１ａ及び
１８１ｂの周波数Ｆ＋及びＦ２をミキサー１８２で混合
した出力Ｆｌ−Ｆ２　との間で位相−電圧変換器１８３
ａ、１８３ｂによって位相差が測定され、それが出力す
る位相差φ１φ２が差動アンプ１８４に入力されてΔφ
＝φ２−φ３が出力される。このとき、差動アンプ１８
４に入力される位相差φ１．φ２の信号のうち一方は別
途出力として導出される。

一方、光源である半導体レーザ１１ａ、１１ｂは、測定
精度を保つ為に発振周波数の安定化を行なう必要があり
、精密な温調装置１５５によって温度がＯ，ＯＱ１℃程
度に保たれると共に、注入電流を一定に保つ電流制御回
路ｒ’５１ａ、１５１ｂにより電流は７源１５２ａ、１
５２ｂに変動があっても一定に保たれる。

半導体レーザｌｌａ、ｊｉｂのいずれか一方（例えば１
１ａ）は発振周波数ＦＭの発振器１５４とミキサー１５
３の作用により電流が変調注入可能となっており、半導
体レーザの発振周波数と注入電流との間にはある範囲（
発振波長にして０．Ｏ５ｎｍ程度）に於て比例関係があ
ることから、周波数変調がかけられるように構成されて
いる。周波数変調をかけるか否かは選択スイッチ１５６
のオン・オフにより高速に切り換えられるようにしであ
る。

次に、以上述べた構成において絶対距離を広い測定範囲
で高精度に測定する方法について説明する。

まず、任意の位置において、絶対位置を測定する為に、
周波数変調選択スイッチ１５６をオンすると、半導体レ
ーザＩｌａは周波数ｆ０て注入電流が変化し、これに伴
う発振周波数変化中±Δｆ、のＦＭ変調信号を発振する
。この光はビームスプリッタ２およびビームスプリッタ
３１を経由して、一方はＡＯ変調器１０４ａに入射し、
周波数Ｆ１のシフトを受けて参照光となる。他方は、Ａ
Ｏ変調器１０４ｂに入射し、周波数Ｆ２のシフトを受け
て測定光となり、前記参照光との干渉によりビート周波
数Ｆ、−Ｆ、がフォトディテクタ７１ａによって検出さ
れ、基準信号との位相差φ１が出力される。

ところが、発振周波数が±Δｆ１の巾で変調されている
ため、位相差信号φ１は発振器１５４の周波数ｆ６で変
動する。この変動中Δφ、は干渉計の光路差りと直接関
係がある。すなわち・・・・・・・・・（３） ・・・・・・・・・（４） であり、（３）式に（λ１＋Δλ１／２）をかけ、（４
）式に（λ１−Δλ１／２）をかけて、両式の差をとる
と、 ２　ｒｃｌｌ　＝　（２π（ｎ、−ｎ２）＋Δφ１）・
λａｑｌ・・・・・・（５） 但し、Δφ、；φ′　−φ″ λｅｑｌ　＝　λ　２／Δλ１ ｎ、、ｎ２　　：自然数 となる。したがって、先述したように、半導体レーザの
発振波長が比例関係を保って変動する巾は０、Ｏ５ｎｍ
程度以下なので、例えば、λ、＝６８０ｎｍ、Δ人、＝
０．Ｏ２ｎｍとなるようにすれば、λ６ｑ１＝λ　２　
／Δλ、　＝　２３．０ｍ　ｍとなる。ａの測定範囲が
この範囲であれば、即ち測定すべき１の値の最大変動中
が２３．０ｎ　ｍ以下である様に設定してあれば、ｎ、
−ｎ２は一意に決定され、結局、Δφ１を測定する事に
より、光路差ｌが測定されることになる。

しかし、この時の測定精度は１０〜２０μｍ程度しかな
い。そこで次に、周波数変調選択スイッチ１５６を高速
にオフし、今度は、半導体レーザ１１ａの発振する波長
λ１と半導体レーザｌｌｂの発振する波長λ２とを用い
て前述のようにそれぞれ独立に位相差を測定し、その差
Δφを出力させる。この出力Δφも干渉計の光路差ｌと
直接関係がある。すなわち、 ２πｕ＝　（２ｍ、ｙｒ＋φ１）・λ１”’　　（ｅ）
２π℃＝（２ｍ、π＋φ２）・λ２　・・・　（７）で
あり、（６）式にλ２をかけ、（７）式にλ１をかけて
両式の差をとると ２　ｒｔ　１１　＝　（２（ｍ＋−ｍ、）π＋Δφ１）
　・λ１ＩＱ２・・・・・・　（８） 但し、Δφ＝φ１−φ２ λａｑ２　　＝　λ１　゛　λ２　／　１　λ１−λ２
ｍｌ　、　ｍ２　　：自然数 となる。したがって例えば、λ、＝６８０ｎｍ、λ２＝
６７５ｎｍの光を使えば、 λ。９２＝λ１　・λ２／（λ、−λ２　）　＝９１．
８μｍとなり、この範囲であればｍｌ−ｍ２は一意に決
定される。そして、既に先に述べた周波数変調による測
定で１０〜２０μｍの測定精度で光路差ｌが測定されて
いるため、ｍｌ−ｍ２は一意に決定されることになり、
この時の測定精度は約０，１μｍとなる。

さらにこの状態で、半導体レーザＩｌａの位相差データ
φ１を用いると、光路差１は（６）式で表わされるから
、λ１＝　６８０　ｎ　ｍ　（＝０．８８μｍ）に対し
、前記測定精度が０．１μｍであるため、ｍｌも一意に
決定することができて光路差１を約ｌｎｍの精度で測定
できることになる。

支五璽ス 第２図は本発明の第２の実施例を示す。

同図に於て、８２ａ、８２ｂは正弦波をパルス列に変換
する高速パルスコンバータ、９２は入力されるパルス数
の加減算を行なうアップダウンカウンタ、１８３ｃはロ
ックインアンプであり、その他の要素は第１図と同じで
ある。

同図に於いて、アブソリュートな位置の検出方法は第１
の実施例で説明した方法と全く同じであるが、本実施例
では、−星検出したアブソリュートな位置からのステー
ジ１０の高速な移動に追従可能なように、高速パルスコ
ンバータ８２ａ８２ｂとアップダウンカウンタ９２を備
え、インクリメンタルな測長を可能にしている。

叉Ｊし」ユ 第３図は、本発明の第３の実施例を示す。

同図に於て、１５７は発振器１５４のゲインを連続的又
は不連続的に切り換える為のゲイン調整回路である。そ
の他の要素は第１の実施例と全く同じである。

本構成に於て、アブソリュートな位置を測定する方法は
、はぼ第１の実施例で説明した方法と同じである。即ち
、まず周波数変調選択スイッチ１５６をオンすることに
より、半導体レーザ１１ａはＦＭ変調を受け、アブソリ
ュートな位置を粗く測定するのであるが、発振器１５４
のゲインが一定だと、上記（３）　、　　（４）式中の
Δλ１の大きさは一定であり、従って、例えば、第１の
実施例で説明したように、Δλ１＝０．Ｏ２ｎｍの場合
、λ、Ｑ＝　２３．１ｍ　ｍとなりて測定範囲が短くな
フてしまう。そこで、本実施例では、発振器１５４のゲ
インを調整するゲイン調整回路１５７により、例えば、
Δλ、　＝０．Ｏ２ｎｍに相当する注入電流振巾を与え
るゲインＫｌ　とΔλ＋　＝＝　０．０００１　ｎ　ｍ
に相当する注入電流振巾を与えるゲインに２とを切換え
られるようにしておくことによって、ゲインＫ。

のときはλ１ｌＱ＝λ１２／Δλ、　＝４．６　ｍ、ゲ
インに２のときはλ。９＝λ１′／Δλ、　＝　２３．
１ｍ　ｍとすることができる。したがって、新しい光源
を用意することなく、より長い測定範囲をカバーするこ
とができる。

ゲインの切換え値は２値以上いくらでも良い為、原理的
には無限に長い測定範囲がカバーできる。但し、実際に
は、光源である半導体ｌ・−ザーの可干渉距離によって
高精度な測定範囲は限られる。

叉」Ｃ１工 第４図は、本発明の第４の実施例を示す。

同図に於て、４２はビームスプリッタ、７１ｃはフォト
ディテクタ、１５１ｃは半導体レーザ１１ｂへの注入電
流制御回路、２０１はメタン、ヨウ素等のガスを封入し
たガスセルである。これらを付加したことと、位相出力
が半導体レーザ１１ｂの信号と基準信号との位相差φ２
が出力されるように変更したこと以外は、第１の実施例
と全く同じ構成である。本実施例は、より高い精度で測
長する必要がある場合の構成例である。

一般に、半導体レーザの波長安定化は先述したように、
温度制御と流入電流を一定に保つ制御を行なうことによ
り簡易に行なわれているが、より厳密な安定度、例えば
１０−８〜１Ｏ−ＩＱの波長安定性を得る為には何らか
の物理的基準を用いてフィードバック制御をかけること
が望ましい。

本実施例は、その物理的基準としてメタン、ヨウ素等の
ガスの分子吸収線を利用した例である。

第４図に於て、半導体レーザ１１ｂより射出した光はビ
ームスプリッタ４２により光の一部がガスセル２０１を
透過してフォトダイオード７１ｃで検出される。ガスセ
ル２０１には半導体レーザ１１ｂの発振波長に近い分子
吸収線を持つガスが封入されているため、その波長近傍
で鋭く光強度が変化する。従って、フォトディテクタ７
１ｃの出力を利用して注入電流制御回路１５１ｃをフィ
ードバック制御することにより、半導体レーザ１１ｂの
波長を非常に高い安定性で維持することができる。例え
ば、波長安定性が１ｏ−８の場合、１ｍの距離が１０ｎ
ｍの正確度で測定できることになり、超高精度な絶対距
離測長器が実現できる。

ここでは、物理的基準としてガスセルを用いたが、要求
精度に応じて、エタロン板や波長選択フィルタ等が使用
可能である。

実Ｊ１１二 第５図は本発明の第５の実施例を示す。

同図に於いて、２０１は光源であるところの基本発振波
長λ０の半導体レーザ、２０２ａ。

２０２ｂは偏光ビームスプリッタ、２０３ａ。

２０３ｂ、２０３ｃは折り曲げミラー ２０４ａ、２０４ｂはそれぞれ周波数Ｆ、、Ｆ２のシフ
トを入射光に与えるＡ○変調器、２０５は偏光ビームス
プリッタ、２０６は固定コーナーキューブ、２０７は可
動コーナーキューブ、２０８は偏光板、２０．９はフォ
トダイオード、２１０はステージ装置、２２１ａ、２２
１ｂはそれぞれ周波数Ｆ、、Ｆ、を発振する発振器、２
２２は２つの周波数の信号を混合して差の周波数の信号
を出力する周波数ミキサ、２２３は２つの同期的信号の
位相差を電圧に変換して出力する位相−電圧変換器、２
２４ａ、２２４ｂは正弦波状の信号をパルス列に高速に
変換する高速パルスコンバータ、２２５は入力パルス数
の加減算を行なうアップダウンカウンタ、２３１は半導
体レーザ２０１への注入電流源を選択するスイッチ、２
３２は半導体レーザ２０１の発振波長が連続して変化す
る範囲で注入電流を変調する変調器、２３３は半導体レ
ーザ２０１の発振波長が不連続に変化する範囲で注入電
流を変化させる波長選択回路、２３４は半導体レーザ２
０１の発振波長が一定になるように注入電流を制御する
電流制御回路、２３５は半導体レーザ２０１への供給電
源、２４０は半導体レーザ１の温度を一定に保つ制御を
する温調装置である。

上記構成に於て、半導体レーザ２０１より射出したコヒ
ーレント光は、４５°方向の直線偏光状態で偏光ビーム
スプリッタ２０２ａに入射し、図面に水平な偏光成分と
図面に垂直な偏光成分とに分割される。

図面に水平な偏光成分の光は直進し、ＡＯ変調器２０４
ａを通過してＦ、たけ周波数シフトを受け、折り曲げミ
ラー２０３ｂ、１扁光ビームスプリツタ２０２ｂ、折り
曲げミラー２０３Ｃ１偏光ビームスプリツタ２０５、コ
ーナーキューブ２０７、および偏光ビームスプリッタ２
０５を経由して偏光板２０８に入射する。

一方、前記図面に垂直な偏光成分の光は下方へ折り曲げ
られ、折り曲げミラー２０３ａを経由し、ＡＯ変調器２
０４ｂを通過してＦ２だけ周波数シフトを受け、偏光ビ
ームスプリッタ２０２ｂ、折り曲げミラー２０３Ｃ、イ
扁光ビームスプリッタ２０５、コーナーキューブ２０６
、およびイ扁光ビームスプリッタ２０５を経由して偏光
板２０８に入射する。

これら２つの光は、偏光板２０８の作用で干渉し、フォ
トディテクタ２０９にてＦ　１Ｆ　２のビート信号Ｓｉ
ｇが検出される。そして、検出されたビート信号Ｓｉｇ
と、ＡＯ変調器２０４ａ、２０４ｂを駆動している発振
器２２１ａ、２２１ｂの信号を周波数ミキサー２２２に
て混合した信号Ｒｅｆどの位相差φ１が位相−電圧変換
器２２３において検出される。

また、２つの信号ＳｉｇとＲｅｆは、それぞれ高速パル
スコンバータ２２４ａ、２２４ｂにおいてパルス列に変
換され、そしてアップダウンカウンタ２２５にてそのパ
ルス数の加減算が行なわれ出力される。

半導体レーザ２０１へ供給される電流は、半導体レーザ
２０１の発振波長が連続的に変化する範囲で電流を変調
する回路２３２と、半導体レーザ２０１の発振周波数が
不連続的に変化する範囲で電流を変化させる回路２３３
と、半導体レーザ２０１の発振周波数が一定になるよう
に電流を制御する回路２３４のいずれかを選択スイッチ
２３１により任意かつ高速に切り換えられるように構成
されている。

さらに半導体レーザ２０１は、温度が一定に保たれるよ
うに、例えばペルチェ素子とサーミスタを利用した精密
温調装置２４０により±０．００１℃程度の変動に保た
れる。

以下、アブソリュートなステージ１０の位置を測定する
方法について説明する。

一般に、半導体レーザは第６図に示すような注入電流−
発振波長特性を持っている。従って、例えば注入電流を
８０ｍＡ中心に±１ｍＡ程度変調すると、発振波長は７
９３．３　ｎ　ｍあたりを中心として±６Ｘ１０−３ｎ
ｍ程度変化し、周波数変調がかけられることになる。ま
た、７０ｍＡ中心に±１０ｍＡ程度注入電流を変化させ
ると、発振波長はモードホップによる不連続な変化をは
さんで０．６ｎｍ程度変化させることができる。

また、半導体レーザは、温度変動を±０．００１℃程度
、注入電流の変動を±１μＡに抑えると、発振波長は１
０−８のオーダで安定化可能であることが知られている
。

このような半導体レーザ２０１を用いて、まず、選択ス
イッチ２３１により発振波長が連続的に変化する範囲で
変調する回路２３２を選択する。今、中心波長λ８、波
長の変調器を±Δλ。

とすると、光路差λと位相信号φの関係は、第１の実施
例で示したように、式（３）〜（５）によって表わされ
る。

したがって、回路３２の変調周波数をｆ３とすると、ｆ
、に同期して変動する位相出力φ１の巾即ちΔφ、を測
定すればレーザ波長に比して非常に大きな等価波長λ、
１の範囲で（５）式中の自然数ｎ、−ｎ２が一意に決定
され、光路差λが測定できる。

例えば、λ１＝７９３ｎｍ、Δλ、　＝０．００１ｎｍ
とすると、λａｑｌ　＝λ１′／Δλ、＝６２８ｍｍと
なり、ｌの測定範囲中がこれ以内であれば、即ちλの最
大変化中が６２８ｍｍである様に設定してあれば、ｎ、
−ｎ２は一意に決定され、この時のΔφ１を測定すれば
光路差１が位相測定精度で決まる精度で測定される。位
相測定精度を２π／２０００とすれば、約０．３ｍｍの
精度で測定できることになる。

次に、選択スイッチ２３１を、発振波長が不連続に変化
する範囲で注入電流を変化させる回路２３３に切り換え
る。ここで、回路２３３はある周波数ｆ４で丁度発振波
長をモードホップをはさんでえ、とλ、の間で変化させ
るような機能があるとすれば、光路差℃と位相差信号φ
の関係は、２πｌ＝　（２ｍ、ｔｒ、＋φＬ）・λＬ　
　””（９）２πｕ＝　　（２ｍ、ｒｔ：＋φＨ）　・
　λＨ−（１０）であり、（９）式にλ□、　（１０）
式にλ、をかけ両式の差をとると、 但し、Δφ＝φし−φＨ λ６ｑ２　＝λ、　・　λ、４　／１　λ、−λ□ｍｌ
　、　ｍ２　　：自然数 となる。したがって、周波数ｆ４に同期して変化する位
相差信号Δφを測定すれば、レーザ波長に対してやや大
きな等価波長λ。ｑ２の範囲で自然数ｍ、−ｍ２が一意
に決定され、光路差１がより精密に測定される。例えば
、λＬ　＝７９２．７　ｎｍ。

λ□＝７９３．３　ｎｍとすれば、 λ６９□＝λ、・λｌ（／１λ８−λＬｌ　＝１．０５
ｍｍとなり、既に℃の絶対値は約０．３ｍｍの精度で求
まっているからｍｌ−ｍ２は一意に決定される。

この時の位相測定精度を２π／２０００とすれば、約０
．５μｍの精度で測定できることになる。

最後に選択スイッチ２３１を発振波長が一定になるよう
に制御する回路２３４に切り換える。

回路２３４は、発振波長をλ。に制御しているものとす
れば、光路差文と位相差信号φの関係は、 ２π℃＝　（２πＮ＋φ）　・　λ。

Ｎ：自然数 であり、非常に高い精度で℃を決定することができる。

例えば、λ。＝７９３ｎｍとすると、既に約０．５　μ
ｍ　（＝５００ｎｍ）の精度でｌは測定されているから
、Ｎは一意に決定される。そして、この時の位相測定精
度を２π／２０００とすると、約０．４ｍｍの精度で光
路差℃を測定できたことになる。従って結局、光路差を
６２８ｍｍのレンジで０．４ｍｍの精度で絶対測定でき
たことになる。

しかし、このような切換え方式によるステージ２１０の
絶対位置決定は、ある程度時間がかかるうえ、決定して
いる間はステージはザブミクロンオーダで静止している
必要がある。

そこで、このような切換え方式によるステージ２１０の
絶対位置決定は一番最初に一度だけ行ない、あとは通常
のインクリメンタルなレーザ測長により測定する方が高
速なステージの動きには追従し易い。従って、高速パル
スコンバータ２２４ａ、２２４ｂによってパルス状に変
換された測定信号Ｓｆｇと参照信号Ｒｅｆをアップダウ
ンカウンタ２２５でカウントした出力を参照すれば、絶
対位置を測定した位置からのインクリメンタルな測長が
可能となり、結局、高速な絶対位置の測定をも実現でき
たことになる。

また、何らかのトラブルでレーザ光が遮られカウントエ
ラーを起こした時は、そこで再び絶対位置決定シーケン
スを行なえば良く、従来のように原点センサ位置までス
テージを戻してリセットする必要が無い。

衷」Ｌ剋」− 第７図は本発明の第６の実施例を示し、同図に於て、２
１１はビームスプリッタ、２２６は高入力インピーダン
スの電流−電圧変換回路、２２７は参照信号に同期した
信号のみの振巾を高精度に検出するロックインアンプで
ある。他の、第５図と同一の符号は同一の要素を示す。

上記構成に於て、半導体レーザ２０１より射出したコヒ
ーレント光は、上述と同様に、４５°方向の直線偏光状
態で偏光ビームスプリッタ２０２ａに入射し、図面に水
平な偏光成分と図面に垂直な偏光成分に分割される。そ
して、図面に水平な偏光成分の光は直進し、ＡＯ変調器
２０４ａを通過してＦｌだけ周波数シフトを受け、折り
曲げミラー２０３ｂ、偏光ビームスプリッタ２０２ｂ、
ビームスプリッタ２１１に至り、偏光板２０８ａに入射
する光と、偏光ビームスプリッタ２０５、コーナーキュ
ーブ２０７、ｆ扁光ヒ゛−ムスブリッタ２０５を経由し
て偏光板２０８ｂに入射する光とに分けられる。

一方、前記図面に垂直な偏光成分の光も上述実施例と同
様に、下方へ折り曲げられ、折り曲げミラー２０３ａを
経てＡＯ変調器２０４ｂを通過してＦ２だけ周波数シフ
トを受け、偏光ビームスプリッタ２０２ｂ、　ビームス
プリッタ２１１に至り、偏光板２０８ａに入射する光と
、偏光ビームスプリッタ２０５、コーナーキューブ２０
６、イ扁光ビームスプリッタ２０５を経由して偏光板２
０８ｂに入射する光とに分けられる。

これらの光のうち偏光板２０８ａに入射した２つの光は
偏光板２０８ａの作用で干渉し、フォトディテクタ２０
９ａにてＰＩ　　Ｆ２のビート信号Ｒｅｆが検出される
。また、偏光板２０８ｂに入射した２つの光は偏光板２
０８ｂの作用で干渉し、フォトディテクタ２０９ｂにて
Ｆ、−Ｆ２のビート信号Ｓｉｇとして検出され、前記Ｒ
ｅｆと位相−電圧変換器２２３において位相差φ１が検
出される。また、２つの信号ＳｉｇとＲｅｆはそれぞれ
高速パルスコンバータ２２４ａ、２２４ｂにおいてパル
ス列に変換され、アップダウンカウンタ２２５において
パルス数の加減算を行ない出力される。

半導体レーザ２０１へ供給される電流は、上述と同様に
、半導体レーザの発振波長が連続的に変化する範囲で電
流を変調する回路２３２と半導体レーザの発振周波数が
不連続に変化する範囲で電流を変化させる回路２３３と
半導体レーザの発振周波数が一定になるように電流を制
御する回路２３４のいずれかを選択スイッチ２３１によ
り任意かつ高速に切換えられるように構成されている。

さらに、半導体レーザ２０１は、上述と同様にして、±
ｏ、ｏｏｔ℃程度の変動に保たれる。

半導体レーザ２０１への注入電流信号は電流−電圧変換
回路２２６において電圧信号となりこれを参照信号とし
て位相−電圧変換器２２３の出力φ１の信号変動中Δφ
１がロックインアンプ２２７において検出される。

本構成においても第１の実施例と全く同じ方法でアブソ
リュートな光路差が測定されるが、異なる点は、位相−
電圧変換器２２３の参照信号をフォトディテクタ２０９
ａの出力からとっている点と、半導体レーザ２０１への
注入電流を変調している時の位相信号変動中をロックイ
ンアンプ２２７によりて検出している点である。

このように、位相−電圧変換器２２３の参照信号をフォ
トディテクタ２０９ａからとることにより、回路は若干
複雑になるものの、ビームスプリッタ２１１より半導体
レーザ２０１に近い側の光路に於ける光路差変動の影響
を無くすことが出来る。

又、ロックインアンプ２２７によって位相信号変動中を
検出する事により、位相−電圧変換器２２３の出力φ、
にノイズが重畳されていても十分に変動中Δφを測定す
ることが可能となる。

その他の実施形態としては、上述のように、半導体レー
ザに注入する電流を変調する巾を可変とし、即ち、注入
電流ＡＣ成分のゲインを任意に設定する回路を設ける事
によっても全く同じ効果を得ることが可能である。

また、半導体レーザの発振波長の安定化も上述のように
、メタン、ヨウ素等のガスセルの分子吸収線に制御する
方法やエタロン板透過光の共振ピークに制御する方法等
を用いて高精度化する事が可能である。

〔発明の効果〕

以上、説明したように本発明によれば、２つの異なる波
長を発振する半導体レーザと、半導体レーザを周波数変
調する手段及び周波数変調をするか否かを選択するスイ
ッチとを具備することにより、 ■少ない光源の数で長い測定範囲を高精度にアブソリュ
ート測定が可能となり、 ■アブソリュートな位置を測定する際に光学系や信号検
出系を全く変更することなく測定が可能となり、そして ■アブソリュートな位置を測定する際に、高速な測定範
囲の切換えが可能となり、切換えの間に被測定物が動い
てしまう為に生ずる（８）式の自然数部分の決定ミスが
非常に起こりにくくなる。

さらに、周波数変調中部ち、注入電流振巾を自在に変化
させる手段を付加することにより、■光源の数を増やさ
ずに数ｍより長い測定範囲を高精度にアブソリュート測
定可能となり、■パルスコンバータとアップダウンカウ
ンタを併備することにより、いったんアブソリュートな
測定を行なった後は、インクリメンタルな変位測定が可
能であり、ステージ等の高速な移動にも十分追従した測
定が可能となる。

また、半導体レーザを１つのみ用いる態様においては、
半導体レーザへの注入電流を発振周波数が連続に変化す
る範囲で変調する手段と発振周波数が不連続に変化する
範囲で変化させる手段と、発振周波数が一定に保たれる
ように制御する手段とを具備し、それらを任意に選択す
る手段によってシーケンシャルに絶対光路差を測定する
ようにしたため、 ■１つの半導体レーザによって長い測定範囲を高分解能
に測定することが可能となり、 ■ＡＯ変調器を用いたヘテロダイン検出による場合は、
半導体レーザ光の強度変化に影響されないで測定が可能
であり、 ■インクリメンタルな測長と組み合わせる事により、い
ったん絶対測長を行なえば、そこからの高速な相対変位
に追従して測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第２図は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第３図は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第４図は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第５図は、本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第６図は、半導体レーザの特性を説明する説明図、 第７図は本発明の第６の実施例に係る半導体レーザ測長
装置の構成図、 第８図は従来例に係る半導体レーザ測長装置の構成図で
ある。 １、Ｉｌａ、ｌｌｂ：半導体レーザ、３：干渉計ユニッ
ト、５：被測定平板ミラー　１０ニステージ、１０４ａ
、１０４ｂ：ＡＯ変調器、１０５：（！４光ビームスプ
リッタ、１０９：波長選択ミラ１８１ａ、１８１ｂ、１
５４：発振器、１８３ａ、１８３ｂ、：位相−電圧変換
器、１８４：差動アンプ、１５１ａ、１５１ｂ：電流制
御回路、１５２ａ、１５２ｂ：電源、 １５５：温調装置、７１　ａ、　　７１　ｂ、　　７１
　ｃ　：フォトディテクタ、８２ａ、８２ｂ：バルスコ
ンバータ、９２ニアツブダウンカウンタ、１５６：周波
数変調選択スイッチ、１５７：ゲイン調整回路、２００
：ガスセル、２０１：半導体レーザ、２０４ａ、２０４
ｂ：ＡＯ変調器、２ｏ５：偏光ビームスプリッタ、２０
６，２０７：コーナーキューブ、２０８：偏光板、２０
９：フォトディテクタ、２１０：ステージ、２２１ａ、
２２１ｂ：発振器、２２３：位相電圧変換器、２２４ａ
。 ２２４ｂ：高速パルスコンバータ、２２５ニアツブダウ
ンカウンタ、２３１：スイッチ、２３２：電流変調回路
、２３３：可変抵抗器、２３４：定電流回路、２４０：
温調回路。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに異なる波長帯域で発振する第１および第２
   の半導体レーザと、第１の半導体レーザの発振周波数を
   変調する周波数変調手段と、第１および第２の半導体レ
   ーザが出力する第１および第２のレーザ光をそれぞれ第
   ３と第４および第５と第６のレーザ光に分割する光分割
   手段と、第３および第５のレーザ光を被測定物に入射さ
   せて反射させ、そして第３レーザ光の反射光と第４レー
   ザ光との位相差、および第５レーザ光の反射光と第６レ
   ーザ光との位相差を検出する位相差検出手段と、その検
   出結果に基づき、分割されたレーザ光間の光路差を求め
   る手段とを具備することを特徴とする半導体レーザ測長
   装置。
2. （２）発振周波数変調手段の動作をオン・オフして第１
   のレーザ光を変調するか一定の周波数に保つかを選択す
   る選択手段を備えた請求項１記載の半導体レーザ測長装
   置。
3. （３）第１および第２の半導体レーザのうち少なくとも
   一方は発振波長を一定に保持する発振波長安定化手段を
   備えた請求項１記載の半導体レーザ測長装置。
4. （４）位相差検出手段は、第３および第５のレーザ光の
   周波数をシフトさせる第１のＡＯ変調器、ならびに第４
   および第６のレーザ光の周波数をシフトさせる第２のＡ
   Ｏ変調器を備え、これらを用いたヘテロダイン検出によ
   って位相差を検出するものである請求項１記載の半導体
   レーザ測長装置。
5. （５）発振周波数変調手段は周波数変調幅が可変である
   請求項１記載の半導体レーザ測長装置。
6. （６）第３レーザ光および第４レーザ光の反射光の干渉
   、または第５レーザ光および第６レーザ光の反射光の干
   渉によるビート信号と、第１および第２のＡＯ変調器の
   駆動発振周波数の差とに基づき、分割されたレーザ光間
   の光路差をインクリメンタルに求める手段を備え、アブ
   ソリュートな光路差を測定した後は、このインクリメン
   タルな測定に切り換える構成とした、請求項４記載の半
   導体レーザ測長装置。
7. （７）位相差検出手段は、第３レーザ光および第４レー
   ザ光の反射光と、第５レーザ光および第６レーザ光の反
   射光とを分離する波長選択ミラーを備えた、請求項４記
   載の半導体レーザ測長装置。
8. （８）半導体レーザと、半導体レーザへの注入電流を発
   振波長が連続的に変化する範囲で変調する周波数変調手
   段と、半導体レーザへの注入電流を発振波長が不連続に
   変化する範囲で変化させる周波数変化手段と、半導体レ
   ーザへの注入電流を発振波長が一定に保たれるように制
   御する一定化手段と、周波数変調手段、周波数変化手段
   および一定化手段を切り換えて選択する手段と、半導体
   レーザが出力するレーザ光を２つに分割する光分割手段
   と、その一方のレーザ光を被測定物に入射させ反射させ
   てから他方のレーザ光との位相差を検出する位相差検出
   手段と、その検出結果に基づき、分割されたレーザ光間
   の光路差を求める手段とを具備することを特徴とする半
   導体レーザ測長装置。
9. （９）光分割手段は、レーザ光をＰ偏光とＳ偏光とに分
   割するものであり、位相差検出手段はＰ偏光およびＳ偏
   光に対し互いにわずかに異なる周波数シフトを施すＡＯ
   変調器を備え、この周波数シフトの差を参照信号とし、
   一方が被測定物からの反射光であるＰ偏光およびＳ変光
   の干渉によるビート信号を測定信号として、参照信号と
   測定信号との位相差を検出するものである、請求項８記
   載の半導体レーザ測長装置。
10. （１０）選択手段により一定化手段を選択している場合
    は、参照信号と測定信号をそれぞれパルス信号に変換し
    、そのパルス数の差をカウントする手段を備え、これに
    よりインクリメンタルな光路差測定を行なう、請求項８
    記載の半導体レーザ測長装置。
11. （１１）第一の波長と該第一の波長とは小さく異なる第
    二の波長と前記第一の波長と大きく異なる第三の波長の
    光束を発生する光源手段と、前記光源手段が発生した光
    束を２つに分割する光分割手段と、分割された一方の光
    束を被測定物に入射させ反射させてから他方の光束との
    位相差を前記３つの波長についてそれぞれ検出する位相
    差検出手段と、その検出結果に基づき分割された光束間
    の光路差を求める手段とを具備することを特徴とする測
    長装置。